WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 2 Определение магнитной анизотропии сложных редкоземельных соединений из эффекта Мессбауэра и ЯМР © Ю.П. Ирхин, В.Ю. Ирхин Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия E-mail: Valentin.Irkhin@imp.uran.ru (Поступила в Редакцию 9 июня 2000 г.) Дан обзор экспериментальных результатов и теоретических работ по магнитной анизотропии (МА) в интерметаллических соединениях редкоземельных (РЗ) элементов с переходными металлами. Указаны противоречия как между экспериментальными данными разных авторов, так и с теоретическими расчетами констант МА. Предложена методика определения параметров кристаллического поля (КП) и эффективных зарядов Q на ионах сложных интерметаллидов. Найдены возможные значения Q для соединений R2T17 i i и R2T17-xTix, позволяющие единообразно описать константы МА этих систем с разными R и T. При этом использованы экспериментальные данные по эффекту Мессбауэра и ЯМР. Обсуждается вопрос о знаке вклада РЗ подрешетки в МА. Сильная зависимость этого вклада от x в системе R2T17-xTix объясняется вкладом в КП ионов Ti в гантелях.

Работа частично финансирована грантом РФФИ № 99-02-16268.

Большое число исследований в 80–90-е годы было при Q(N) < 0 имеем положительный (легкоосный) посвящено изучению магнетизма сложных соединений вклад в K1 (Sm). Наоборот, в соединении SmFe11Ti азот редкоземельных (РЗ) металлов, являющихся перспектив- внедряется в позиции 2b, расположенные вдоль оси c ными магнитными материалами [1–3]. Тем не менее по отношению к ионам R (R = 0), что вносит отриостается ряд проблем, которые связаны с физическими цательный (легкоплоскостной) вклад в K1 (Sm). Таким механизмами, определяющими важные физические ха- образом, знак вклада ионов азота в МА зависит от рактеристики этих материалов: намaгниченность, точку геометрических факторов.

Кюри Tc, константу магнитной анизотропии (МА), опре- Кроме геометрии, для сложных соединений сущеделенную как ственную роль играет распределение зарядовой плотности, создаваемое различными ионами. Особенности EMA = K1 sin2 +... (1) экранирования ионных зарядов в металлах (в частности, Еще больший интерес представляют сильные зависи- электронами проводимости) могут приводить к их сильмости магнитных свойств от состава, в том числе от ной перенормировке вплоть до изменения знака [4].

различных примесей внедрения или замещения.

Возможность радикальных отличий модели КП в меХарактерным примером являются системы на основе таллах обсуждалась в работе [5]. Ее автор считает, что Sm2Fe17. Исходное соединение имеет Tc около 400 K основной вклад в параметр A20 вносят электроны 6p- и и МА типа легкая плоскость. При введении примеси 5d-типа самого РЗ иона, которые находятся внутри его внедрения азота (Sm2Fe17Nx) знак МА меняется, а велисферы Вигнера–Зейтца. Анизотропия их распределения чина константы K1 достигает при x = 3 очень большого создается электронными плотностями соседних ячеек.

значения порядка 10 MJ/m3. Добавление небольшого Эта модель связывается в [5] с известной моделью количества примеси замещения титана (Sm2Fe17-xTix, ”микроскопического атома” Миедемы в теории когезии x = 0.75) также приводит к значительному изменению сплавов. При этом знак A20 получается противоположK1 [2]. Основным фактором такого сильного влияния ным по сравнению с ионной моделью в приближении примесей на МА является их вклад в параметры Amn точечных зарядов. Однако в работе [6] на основе экспекристаллического поля (КП), действующего на магнитриментальных данных делается вывод, что, по-видимому, ные РЗ ионы. Известно (см., например, [3]), что ионы основую роль играет обычный механизм КП, обусловазота внедряются в междоузлия типа 9e в Sm2Fe17, расленный зарядами соседних ионов.

положенные в РЗ плоскостях, перпендикулярных оси c В принципе эффективные заряды ионов могут быть (R = /2), и вносят отрицательный вклад в паравычислены в рамках современных расчетов электронной метр A20, определенный выражением структуры. Такие расчеты проводились и для соединений R2T17 [7]. В этой работе были получены значения чисел 3cos2 R - A20 = - Q(R), (2) электронов Ne в сфере радиуса R0 с центром в ионе.

2RR Величину эффективного заряда иона проще всего оцегде суммирование осуществляется по всей решетке, нить как Q = Qr(R0) - Ne, где Qr(R0) — заряд ионного R — полярный угол вектора R, Q(R) — соответ- остатка без внешних оболочек (например, Qr( f s2) =ствующие эффективные ионные заряды. Согласно (2), для Sm, Qr(3d64s2) = 8 для Fe). Полученные таким Определение магнитной анизотропии сложных редкоземельных соединений... Значения эффективных зарядов в соединениях R2Fe17 по реданных. Для этого могут быть использованы данные по зультатам различных расчетов магнитным свойствам, ЯМР, мессбауэровским спектрам.

Неизвестными величинами в такой теории являются Compound Q(6c) Q Q Q Q Q Ref.

R f d h db N эффективные заряды ионов Q.

i Nd2Fe17 0.42 0.13 0.24 -0.03 0.24 -0.54 [7] Sm2Fe17 0.24 0.11 0.06 -0.06 0.11 -0.45 [7] Nd2Fe17 0.97 -1.28 -0.84 -0.24 0.79 -0.15 [8] 1. Методика вычисления параметров Sm2Fe17 3 0.06 0.06 0.06 0.06 [9] КП и эффективных зарядов Tb2Fe17 2.95 0.62 0.62 0.62 0.Для понимания природы МА сложных соединений По видимому, заряд определен без учета f -электронов Nd.

представляет интерес согласованное теоретическое и В последней строке приведены значения, полученные нами из данных ЯМР [10]. экспериментальное определение параметров Q. Выраi жение для константы анизотропии, определенной в (1), имеет вид путем значения Q для Sm2Fe17 при R0, равном ионному радиусу, приведены таблице. Из нее видно, что величины K1 = -3e2A20 r2 JJ(J - 1/2). (5) f Q для ионов Sm и Fe в разных позициях малы по абсолютной величине. Для ионов азота в позициях 9e Здесь r2 — средний квадрат радиуса f -оболочки, J — f при x = 3 имеем Q = -0.45, т. е. азот ведет себя полный угловой момент РЗ иона, J — фактор Стивенса, как акцептор. Авторы [7] указывают, что на основании параметр кристаллического поля A20 определен выраполученной картины распределения заряда был проведен жением (2). Поскольку эффективные ионные заряды расчет МА, который дал хорошее согласие с эксперимензависят от расстояния, даже для эквивалентных позиций том, однако конкретные результаты не приводятся. Зназначения Q оказываются разными для различных по чения Q из расчета [8] для Nd2Fe17 сильно отличаются удаленности соседей РЗ иона. Таким образом, величины от результатов работы [7]. Это указывает на сильную Q являются характеристиками пары ионов, причем на неустойчивость результатов по отношению к методике и больших расстояниях oни стремятся к нулю (полное приближениям расчета электронной структуры.

экранирование). Это делает, возможно, более оправданВ действительности однако определенные указанным ным использование в (2) приближения ближайших сосеобразом величины Q не могут быть непосредственно исдей, чем суммирование вкладов большого числа соседей пользованы в теории кристаллического поля. Во-первых, по решетке.

выражения для эффективного заряда, определяющего Грубая оценка величин Q(R) из соображений валентвеличину K1 с учетом экранирования электронами проности непригодна в металлических магнетиках, где изводимости, полученные в [4], имеют более сложную за эффектов экранирования они меняются в широком структуру и включают как полный экранирующий заряд, интервале и даже могут менять знак [4].

так и его производные. В приближении сферической Для наиболее простого случая чистых РЗ металлов исзарядовой плотности имеем пользование (5) дает разумные результаты, хотя и в этом 4 случае значение Q оказывается уменьшенным примерно Q(R) =Q0 + Qel(R) - R3 Z(R) - RZ (R), (3) в 2 раза по сравнению с номинальным значением для трехвалентных РЗ ионов (Q = 3). Для многокомпонентгде Qel(R) — заряд электронов проводимости внутри ных соединений положение значительно осложняется, сферы с центром в точечном заряде и радиусом R, поскольку мы имеем несколько параметров Q при одной i R наблюдаемой величине K1. Использование констант анизотропии более высокого порядка затруднительно изQel(R) =4 2dZ(), (4) за плохой точности экспериментальных данных; кроме того, выражения для эффективных зарядов, входящих в них, отличаются от (3).

Z(R) — зарядовая плотность, причем Q el(R) =4r2Z(R).

По указанным причинам может быть полезным разВо-вторых, существенно брать значение Q(R) именно деление вкладов от различных позиций путем сравнена расстоянии между РЗ атомами и ионами, создающими ния МА соединений, отличающихся одним структурным КП; эти расстояния примерно в 2 раза превышают атомные радиусы R0. Как показано в работе [3], значение элементом с данным Q. В качестве примера назовем i Q иона азота, необходимое для объяснения эксперимен- примеси внедрения B = H, N, C в системах R2T17Bx или тального значения K1 в Sm2Fe17N3, составляет -0.15 примеси замещения в соединениях R2Fe17-xTix. Исполь(а не -0.45, как во второй строчке таблицы). зуя изменение величины МА при введении примеси K1, Таким образом, возникает необходимость развития можно получать добавочные уравнения для определения модели кристаллического поля для сложных соединений соответствующих Q. При этом, конечно, могут менятьi с различными типами ионов, которая позволила бы одно- ся и величины Q для ионов матрицы, но можно ожидать, i значно определять параметры КП из экспериментальных что этот эффект не будет значительным.

6 Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 276 Ю.П. Ирхин, В.Ю. Ирхин Еще одним возможным способом выделения инди- К сожалению, число экспериментов по определению видуальных вкладов является рассмотрение разницы в величины A20 для разных позиций ионов невелико, а их структурных элементах близких структур. Так, в ром- точность не очень высока. В работе [10] для Tb2Feбоэдрической и гексагональной (r и h) модификациях были получены три линии ЯМР с H1 = 1.9 ± 2.6K, решетки R2Fe17 оказывается возможным выделение Q H2 = -0.6 ± 2.6K, R = 0.9 ± 2.6 K. Большая ошибка i для атомов Fe в гантелях и атомов R в позициях 2b и 2d. в значениях H обусловлена, в частности, неопределенСтруктура h отличается от структуры r тем, что в ностью значения фактора анитэкранирования Штернхейней все 6c-гантели r-структуры, лежащие на ребрах мера на ядре, который связывает параметр КП с элементарной ячейки, перенесены в центры гексагонов градиентом кристаллического поля Vzz в плоскостях RT с замещением ими атомов R внутри 1 1 - элементарной ячейки r-структуры. Наиболее важное отA20 = - Vzz, (10) 4 1 - личие состоит в том, что появляется два типа R-узлов: 2b (имеют в качестве ближайших соседей по оси c только где 1 - 2 — экранирующий фактор для f -электронов.

атомы R) и 2d (ближайшие соседи по оси c —гантели).

В общем случае в интерметаллидах величина A20/Vzz Указанный перенос укорачивает элементарную ячейку меняется от -20 до -60. Однако внутри данной серии по оси c на одну треть.

соединений с хорошей точностью постоянно. Так, Полезно преобразовать выражение (2), разбив его согласно [12], для R2T17 имеем A20/Vzz = -46 ± 3.

на слагаемые, соответствующие структурным элеменСоответствующие средние значения A20 в единицах там решетки. Используя обозначения позиций узлов K/a2 (a0 —радиус Бора) равны для r-структуры, запишем в приближении ближайших соседей -253 HBA20 = = 80 H2.

A20 = 12A20(h) +6A20( f ) +A20(c). (6) J r f -120 R Здесь рассматривается идеальная решетка, Q в позициi ях h, b, d считаются одинаковыми, вычисление дает Значения H1 и H2 отвечают 2b- и 2d-позициям ионов Tb в гексагональной фазе, а значение R принадлежит e2 (2 - y2)Q 27e2 Q f h иону Tb (6c) ромбоэдрической фазы (обе фазы сосуA20(h)=-, A20( f )= (7) 2 (c/6)3(1+y2)5/2 2 aществуют в Tb2Fe17). Подставляя численные значения для параметров c и a, db = 0.1 и учитывая, что (a и c — параметры решетки r, y = 2a/c). Выражеe2/ = 2.3 · 105 erg/cm2, получаем в случае позиций ния (7) аналогичны известным формулам для структур иона Tb (6c) в r-решетке и 2b и 2c в h-решетке:

типа ГПУ и RCo5 [1,11]. Вклады (7) одинаковы для r- и h-структур. Вклад A20(c), связанный с вкладами -12.4Q + 1.4Q(6c) +3.9Q (6c) =0.26, f R db гантелей ионов T, оказывается различным. В структуре r ближайшими соседями ионов R(6c) по оси c является -12.4Q + 2.8Q(2b) =0.55, f R одна гантель T (6c) и один ион R(6c). В структуре h возможны два типа конфигураций ближайших соседей -12.4Q + 7.8Q (6c) =-0.17. (11) f db для ионов R: (1) 2 иона R (позиция 2b) и (2) 2 гантели Здесь Q — заряд иона Fe в гантели, мы добавочно db (позиция 2d). В соответствии с этим имеем в (6) предположили Q = Q = Q = Q, так что учитыf h b d ваются только два разных значения заряда железа — в e2Q(6c) 2e2Q R T Ar (6c) =- -, (8) плоскостях и в гантелях. Итак, получена система трех (c/3)3 (c/3 - db)неоднородных уравнений с четырьмя неизвестными. Из физических соображений ясно, что значения зарядов 2e2Q(2b) 2e2Q R T Ah (2b)=-, Ah (2d)=-. (9) Q(2b) и Q(6c) должны быть близки. Тем не менее при R R (c/3)3 20 (c/3-db)точном их совпадении система (11) становится неопредеЗдесь 2db — длина гантели (около 0.2c). Формулы ленной, поскольку детерминант соответствующей одно(6)–(9) могут быть использованы как для вычисления родной системы обращается в нуль. Физически разумное K1 по формуле (5), так и для сравнения со значениями решение получается, если предположить Q(2b) = 3, R A20, полученными из ЯМР и эффекта Мессбауэра для т. е. взять номинальное значение для иона R3+. Тогда индивидуальных позиций РЗ ионов в различных узлах из уравнений (11) находим решетки. Последнее дает возможность дополнить систему уравнений для Q и сделать ее более определенной.

Q(6c) =2.95, Q = 0.62, Q = 0.97.

i R f db Поскольку параметры структуры R2T17 с разными R близки, следует ожидать, что найденные Q будут иметь Для значения Q(2b) = 2 величины Q уменьшаютi R i универсальные значения для всех соединений с этой ся примерно на 30%. Отметим, что отождествление структурой. экспериментальных линий ЯМР I и II с узлами 2b и 2d Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. Определение магнитной анизотропии сложных редкоземельных соединений... является неоднозначным. Однако соответствующая пере- Чтобы определить K1 (Sm) для Sm2Fe17, мы испольстановка правых частей уравнений (11) приводит лишь к зуем данные ЯМР для Tb2Fe17 [11], где, помимо двух незначительным изменениям величин Q ввиду сильной линий h-фазы для 2b- и 2d-позиций Tb в h-решетке, была i компенсации вкладов в левых частях этих уравнений.

обнаружена линия, соответствующая r-фазе. Поскольку Аналогичные результаты получаются и для соедине- значение Ar (6c) = -120K/a2, вычисленное для тер20 ний Er2Fe17 и Er2Ni17, экспериментальные величины Aбия, практически не меняется для различных РЗ ионов, для которых были найдены в работах [13] и [14] соответ- можно использовать его для оценки в случае Sm2Fe17.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.